Материнская плата

Материнская плата (МП) – основная составная часть любого персонального компьютера (PC). Производительность PC зависит от тактовой частоты материнской платы и количества данных, обрабатываемых в единицу времени. Основными компонентами, находящимися на МП являются:

1) CPU – процессор;

2) FPU – сопроцессор;

3) контроллер DMA (Direct Memory Access), позволяющий управлять транспортировкой данных минуя CPU;

4) ROM-BIOS (Basic Input Output System) – система, содержащая набор основных функций управления стандартными внешними устройствами PC;

5) Cache (кэш-память) –элементы памяти, имеющие, по сравнению с оперативной памятью, меньшее время доступа и содержащие информацию о данных, необходимых CPU в первую очередь. Для кэш-памяти обычно используются очень дорогостоящие микросхемы статической памяти – SRAM (Static Random Access Memory);

6) RAM (оперативная память) различных видов;

7) Slots (слоты карт расширения) для установки различных устройств.

В материнской плате с процессором 80486 стандартным стал разъём процессора типа ZIF, позволяющий производить смену процессора без помощи инструментов. Если тактовая частота процессора 80486 менее 33 МГц, применяют элементы оперативной памяти с временем доступа 70 нс. Если более, то применяются микросхемы 60 нс. В некоторых платах возможно применение до 64 Мбайт. Схема расположения основных компонентов на материнской плате 486 приведена на рис. 7.

Материнская плата с процессором семейства 80586 являлась в 1995-1997 г. наиболее часто встречающейся. Платы этого типа должны поддерживать все основные типы процессоров класса Pentium, все основные типы памяти, включая впервые применённую DIMM и специально разработанную EDO RAM. Существуют платы, поддерживающие пятиволътовые процессоры Pentium 60 и 66 МГц, совместимые с напряжением 3,3 В для более производительных моделей Pentium, поддерживающие и специально оптимизированные под процессоры Cyrix 6x86 и AMD K5.

Рис. 7. Схема МП 486VL

В большинстве 586 материнских плат применяют набор микросхем (чипсет) Intel Triton 430 трёх семейств – VX, НХ и ТХ. Считается, что набор микросхем Triton VX сделает ненужным отдельный набор микросхем динамического ОЗУ при работе с графикой. Это позволяет значительно снизить затраты на производство материнских плат.

Объявленный вместе с VX набор логики НХ также предназначается Intel для корпоративных пользователей и сектора SOHO (Small Office Home Office). 430HX поддерживает до 512 Мбайт оперативной памяти, которая может быть использована и в качестве дополнительной кэш-памяти. Производительность компьютера на таком чипсете выше, чем при использовании чипсета VX, хотя VX может использовать память SDRAM (DIMM-модули), которая не может применяться с чипсетом НХ. Чипсет 430VX отличается от 430НХ следующими особенностями: в нем отсутствует мультипроцессорная поддержка и поддержка ЕСС, максимальный объем памяти – 128 Мбайт, кэш-памяти – до 64 Мбайт, буферы между процессором, шиной PCI и памятью несколько меньше, чем в чипсете 430НХ, а также используется более медленный режим работы DRAM.

Разработчики Intel включили в набор 430ТХ поддержку практически всех важных технологий в архитектуре PC с тем, чтобы максимально продлить «жизненный цикл» набора логики:

Технология ММХ. Системы на базе 82430ТХ изначально ориентированы на работу с мультимедийными программными продуктами.

Стандарт энергосбережения DPMA (Dynamic Power Management Architecture). БлагодаряDPMAудалось впервые создать набор логики, который с одинаковым успехом можно использовать как в настольных, так и в мобильных компьютерах. И дело не только в продлении жизни батарей для мобильных ПК, но и в возможности построения постоянно включенных настольных систем, которые являются центром коммуникаций в офисе или центром мультимедийных применений дома.

Таблица 2

Отличительные особенности наборов логики процессоров пятого и шестого поколений

Источник: Новые чипсеты обеспечивают корпорации Intel бессменное лидерство // Ниеншанц. СПб, 1997.

Модули памяти SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) плюс поддержка уже традиционных типов FPM/EDO/BEDO (Burst EDO).

Протокол Ultra DMA разработан для достижения нового уровня передачи данных между IDE-диском и контроллером, что позволяет быстрее загружать мультимегабайтные файлы мультимедиа.

Стандарт 2.1 параллельной (concurrent) шины PCI позволяет поддерживать высокую скорость обмена данными по шине в многозадачной операционной среде.

Шина USB для подключения внешних периферийных устройств (до 127 устройств) реализует на практике возможность «горячей стыковки» нового оборудования и снимает проблему отсутствия свободных разъемов в шинах расширения ПК.

На МП с процессором 586 впервые применена новая графическая шина AGP (Accelerated Graphic Port). Шина PCI, как известно, синхронизируется частотой 33 МГц и может иметь пропускную способность до 133 Мбайт/с по 32-разрядной шине данных. Графическая шина AGP работает на частоте 66 МГц и позволяет передавать до 266 Мбайт/с. Такой стандартный режим работы получил название «XI». Однако, если использовать режим «Х2», при котором синхронизация выполняется как по переднему, так и по заднему фронту сигнала синхронизации, то производительность канала увеличивается еще в два раза и становится равной 532 Мбайт/с. Таким образом, когда в технологии AGP речь идет о шинной частоте 133 Мгц, имеется в виду реальная частота 66 МГц. Благодаря новой технологии, скорость передачи в AGP стала столь же высокой, как и скорость обмена с оперативной памятью. Для видеокарт на основе технологии AGP, на МП используются разъемы, во многом похожие на разъемы шины PCI и EISA с 32-мя разрядами для передачи адресов и данных.

Рис. 8. Место шины AGP в архитектуре современного компьютера

Самое большое преимущество AGP по отношению к PCI -- поддержка конвейерных операций чтения-записи из памяти. В архитектуре PCI, которая не является конвейерной, операции чтения выполняются в два раза медленнее операций записи. У AGP транзакции организованы так, что запрос и пересылка данных разделены, это позволяет обрабатывать несколько запросов, когда пересылка данных ещё не завершена. Для выявления первостепенных запросов контроллер AGP использует очереди с разными приоритетами и работает с внеочередными запросами [71;37]. Материнская плата с процессором семейства 80686 мало чем отличается от платы для Pentium, кроме другого процессорного разъёма и отсутствия кэш-памяти второго уровня, которая интегрирована на процессоре. Для данных плат используют наборы микросхем Intel 440FX (Pentium Pro, Pentium II), Intel 440LX (Pentium II) и другие.

Так как корпорация Intel не предоставляет AMD и Cyrix лицензии на архитектуру шины Р6, последние вынуждены идти различными путями: лицензирования архитектуры у других производителей или самостоятельной разработки интерфейса. Так, фирма AMD, лицензировавшая интерфейс шины для МП с процессором К7 у Digital, намерена использовать архитектуру Super 7 (МП с К6-2,3 и К7) для повышения эффективности конструкции Socket 7 (МП с К6).

Чипсеты для Super 7 производятся компаниями VIA Technologies и Acer Laboratories. МП с поддержкой данной архитектуры производятся Biostar, FIC, Microstar и другими. Наиболее важное отличие Super 7 от Socket 7 состоит в возможности использования системной шины с частотой 100 МГц. Это позволяет за счёт увеличения скорости обмена данными с оперативной памятью и кэш-памятью второго уровня существенно увеличить производительность ПК в целом [80; 1].

Одним из самых популярных чипсетов можно по праву считать Intel 440BX. Объясняется что и высокой надежностью, и 100-МГц системной шиной, поддержкой AGP 2х (за один такт по шине AGP передается два четырехбайтовых пакета данных, что дает пропускную способность 528 Мбайт/с на частоте 66 МГц), поддеркой UltraDMA/ЗЗ, пропускной способностью шины памяти 800 Мбайт/с.

В ряде случаев, устанавливая на Intel 440BX частоту FSB (Front Side Bus) до 133 МГц можно получить стабильно работающую систему и повышение частоты AGP (что поддерживают не все графические контроллеры). Хотя, при использовании недокументированных возможностей, нельзя отрицать возможность выхода из строя любых компонентов.

Через два года на рынке появляется принципиально новый чипсет Intel 820. Чипсет разрабатывался для процессоров Intel Pentium III с ядром Coppermine, с поддержкой 133-МГц шины. Среди нововведений – поддержка режима AGP 4х (то есть пропускная способность составляет 1,056 Гбайт/с), протокола Ultra DMA/66, памяти RDRAM (при частоте памяти в 400 МГц пропускная способность шины памяти составляет 1,6 Гбайт).

Недостатком применения материнских плат на чипсете Intel 820 можно считать высокую (более чем в пять раз) цену на модули памяти RDRAM. Поэтому была разработана модификация чипсета Intel «820 с МТН», которая поддерживает широко распространенную память PC 100 SDRAM.

Недоступность памяти RDRAM, срыв сроков выпуска Intel 820 дали возможность конкурентам усилить свои позиции. Например, компания VIA делают ставку на использование памяти стандарта PC 133 SDRAM, имеющей пропускную способность 1,064 Гбайт/с. VIA выпускает на рынок чипсет Apollo Pro 133, очень похожий на Intel 820, но с поддержкой доступной памяти PC 133 SDRAM.

Своеобразным ответом Intel на действия конкурентов и требования пользователей можно считать выпуск чипсета Intel 815 (Solano). Сопоставим его характеристики с чипсетами Intel 440BX, Intel 820, VIA Apollo Pro 1ЗЗА и их модификациями [203] в табл. 3.

Из таблицы видно, что Intel 815 представляет собой реальную замену J440BX, поддерживает широко распространенную память PC 133 SDRAM, системную шину 133 МГц, AGP 4х, новые IDE протоколы АТА/66 и АТА/100. Кроме того Intel 815 выше по производительности VIA Apollo Рrо133А. Недостатками Intel 815 являются: высокая цена, низкая производительность интегрированной графики.

Материнская плата для первого процессора семейства 80786 Itanium будет иметь Slot M (Bigfoot), чипсет 460GX, графический интерфейс 4xAGP и модульную подсистему ввода-вывода.

Другая классификация материнских плат основана на применяемой в них системной нише, от вида которой зависит пропускная способность.

• ISA - одна из первых системных шин, имеет 16 бит. Применяется и сейчас. В 1998 году планируется отказ от использования этой шины в новых ПК [55;26].

• МСА разработка фирмы IBM 1987 года, защищённая патентами и несовместимая с платами, разработанными для ISA.

• EISA ответ конкурентов консорциума, состоящего из фирм AST, Compag, Epson, HP, NEC, Olivetti, Tandy, Wise, Zenith, Intel и Microsoft. Недостатки EISA: высокая себестоимость производства, ограничение пропускной способности до 33 Мбайт/с.

• VLBus – более прогрессивная системная шина, предложенная ассоциацией VESA для PC типа 486.

• PCI (Peripheral Component Interconnect) – занимает промежуточное положение между локальными и системными шинами, является 32 разрядной

Таблица 3

Сравнение новейших чипсетов для материнских плат.

В результате конкурентной борьбы производительности системных шин в настоящее время применяется комбинация из слота ISA (до полного перехода устройств на шину PCI и AGP) и 4 слотов PCI. Для низкоскоростных интерактивных устройств (мышь, клавиатура) применяется универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus), в прогрессивных платах используют IEЕЕ 1394 (скорость передачи данных возрастает до 1000 Мбит/с). Далее подробнее рассмотрим популярные технологии USB и IEEE 1394.

Шина USB бала разработана в сотрудничестве компаний Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Целью разработки было создание шины, которая смогла бы подключить настольную компьютерную периферию без установки дополнительных плат в слоты расширения и переконфигурирования всей системы. Таким образом, при физическом подключении соответствующего устройства оно начинает тут же функционировать.

Согласно стандарту USB 1.0 к шине одновременно может подключаться до 127 устройств, максимальная скорость передачи данных 12 Мбайт/с, максимальная длина кабеля 5 м. Достоинством шины USB можно считать ее доступность – наличие таких шин в материнских платах практически каждого современного компьютера.

В 1999 г. началась разработка нового стандарта шины USB 2.O. Ее основные отличительные характеристики: полоса пропускания увеличена до 250 Мбайт/сек, совместимость с ранее выпущенной периферией,

С помощью USB можно не только подключать к компьютеру различные периферийные устройства, но и формировать небольшую локальную сеть. Существуют технологии объединения до 16 компьютеров в одноранговую сеть на базе USB.

Шина IEEE 1394 (Firewire) представляет собой последовательную высокоскоростную шину, предназначенную для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. Стандарт поддерживает пропускную способность шины на уровнях 100, 200 и 400 Мбит/с. Скорость передачи между различными устройствами, подключенными к шине, не ограничивается каким-либо одним значением, то есть несколько устройств могут обмениваться сигналами на скорости 400 Мбит/с, в то же время другие – на любой другой возможной скорости до 800 и, возможно, в ближайшем будущем, до 1600 Мбит/с.

Интерфейс IEEE 1394 имеет ряд неоспоримых достоинств: возможность передачи данных без потерь информации, компактный размер кабеля, возможность «горячего» подключения устройств, прост в использовании. Отчасти из-за этого данная шина применяетсмя при взаимодействии компьютеров, принтеров, сканеров, цифровых аудио- и видеосистем.

Проведем несложный расчет практического использования возможностей шины IEEE 1394.

Задача. Необходимо передать информацию (поток видеосигнала) на персональный компьютер. Какая величина пропускной способности будет удовлетворять данной задаче, если «картинка» имеет стандартное телевизионное разрешение, частоту 24 кадра в секунду и глубину цвета 24 бит?

Решение:

1) стандартное телевизионное разрешение составляет 640 на 480 пикселей, следовательно, перемножив 640 на 480, получим величину пикселей, которые необходимо передать в один кадр;

2) полученную величину умножим на число кадров в секунду, то есть на 24, в результате получим число пикселей одного оттенка, передаваемых за секунду;

3) полученный результат умножим на величину глубины цвета, то есть на 24, получив, таким образом, искомую величину в сопоставимом виде.

(640 х 480 х 24 х 24) /1 000 000 = 176,9472 Мбит/с

Ответ: пропускная способность не должна быть ниже 177 Мбит/с

Важной характеристикой материнских плат является форм-фактор. Существуют платы Baby-AT, LPX, NLX и АТХ [5;32].

Ведущие производители материнских плат – Acer, A-Trend, ASUSTeK, Data Expert, Elitegroup, FIC, Giga-Byte, Intel, Tekram, Soyo, Supermicro.